火電廠用鋼 金屬學(xué)基礎(chǔ)知識 鋼的熱處理 鋼的力學(xué)性能和.ppt

1、火電廠金屬材料,西安熱工研究院有限公司 二五年十月,材料技術(shù)部 李益民 電話13909189463 Emai:,主要內(nèi)容,一.火電機組用鋼的特點和鋼的分類 二.金屬材料基本知識 三.金屬熱處理 四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織 五.火電機組用鋼 六.鍋爐部件失效案例及原因 七.火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督 八.部件壽命評估,一.火電機組用鋼的特點和鋼的分類（1）,1.鋼鐵材料在火電機組中的應(yīng)用特點 用量大 火電機組基本是由鋼鐵材料制成 以鍋爐為例（見表1） 表1 鍋爐蒸發(fā)量與用鋼重量之間的關(guān)系,一.火電機組用鋼的特點和鋼的分類（2）,鋼種多 碳素鋼、低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼

2、、不銹鋼、鑄鋼等 品種多 板材、管材、棒材、型材、鍛件、鑄件 要求高 工藝性能、力學(xué)性能、使用性能,一.火電機組用鋼的特點和鋼的分類（3）,2.鋼鐵材料的分類 按化學(xué)成分分類 碳素鋼 低碳鋼（碳含量0.25%） 中碳鋼（碳含量0.25%0.60%） 高碳鋼（碳含量0.60%） 合金鋼 低合金鋼（合金元素含量3.5%） 中合金鋼（合金元素含量3.5%10%） 高合金鋼（合金元素含量10%）,一.火電機組用鋼的特點和鋼的分類（4）,按用途分類 結(jié)構(gòu)鋼 耐熱鋼：低合金耐熱鋼、中合金耐熱鋼、耐熱不銹鋼 彈簧鋼 軸承鋼 耐酸不銹鋼,一.火電機組用鋼的特點和鋼的分類（5）,按金相組織分類 鐵素體鋼 一般為

3、鋼在退火狀態(tài)下獲得的組織,典型的為鐵素體不銹鋼 珠光體鋼 鋼中合金元素含量較低,在空氣中冷卻,可得到珠光體 馬氏體鋼 鋼中合金元素含量較高,在空氣中冷卻,可得到馬氏體 貝氏體鋼 鋼中合金元素含量較低,在空氣中冷卻,可得到貝氏體 奧氏體鋼 鋼中合金元素含量很高,在空氣中冷卻,奧氏體到室溫仍不轉(zhuǎn)變,一.火電機組用鋼的特點和鋼的分類（6）,按品質(zhì)分類 普通鋼 磷含量0.045%，硫含量0.055%；或磷、硫含量均0.050% 優(yōu)質(zhì)鋼 磷、硫含量均0.040% 高級優(yōu)質(zhì)鋼 磷含量0.035%，硫含量0.030% 高級優(yōu)質(zhì)鋼A 超級優(yōu)質(zhì)鋼 C 特級優(yōu)質(zhì)鋼E,一.火電機組用鋼的特點和鋼的分類（7）,按冶煉

4、方法分類 平爐鋼（酸性平爐鋼、堿性平爐鋼） 轉(zhuǎn)爐鋼（酸性轉(zhuǎn)爐鋼、堿性轉(zhuǎn)爐鋼） 電爐鋼（電弧爐鋼、電渣爐鋼、感應(yīng)爐鋼、真空感應(yīng)爐鋼、真空自耗爐鋼、電子束爐鋼）,二. 金屬材料基本知識（1）,1.晶體學(xué)基本知識 三種典型的晶體結(jié)構(gòu) 晶體缺陷 晶體缺陷的分類 點缺陷,圖1 點缺陷的類型,二. 金屬材料基本知識（2）,線缺陷 （a）刃型位錯,圖2刃型位錯原子模型,圖3 晶體中由于刃型位錯引起的局部滑移,二.金屬材料基本知識（3）,線缺陷 （b）螺型位錯,圖4晶體的局部滑移,圖5螺型位錯的原子組態(tài),二.金屬材料基本知識（4）,線缺陷 （c）混合型位錯,圖6 混合位錯的局部滑移和原子組態(tài),二.金屬材料基本

5、知識（5）,線缺陷 （d）位錯密度 位錯密度的兩種表示： （1）單位晶體所包含的位錯線的總長度 SV (1) 式中S為該晶體中位錯線的總長度，V是晶體的體積，的單位為mm3。 （2）穿過單位截面積的位錯線的數(shù)目 nA (2) 式中n為穿過面積A的位錯線數(shù)目，A為截面積。,二.金屬材料基本知識（6）,（e）位錯理論的應(yīng)用 （1）對晶體變形滑移的解釋 （2）裂紋的產(chǎn)生,圖7 理想晶體的滑移模型,二.金屬材料基本知識（7）,面缺陷 （a）晶界特點 （b）晶界分類 （c）晶界作用,二.金屬材料基本知識（8）,2 Fe-Fe3C相圖 鐵與碳的特性 鐵的特性 碳的特性 鐵和碳的作用,圖8 FeFe3C合金

6、平衡狀態(tài)圖,二.金屬材料基本知識（9）,FeFe3C相圖分析 包晶轉(zhuǎn)變（液固轉(zhuǎn)變） 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 磁性轉(zhuǎn)變 共析轉(zhuǎn)變 Fe3C的脫溶（PQ線） 共晶轉(zhuǎn)變,二.金屬材料基本知識（10）,Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用 制定熱加工工藝 偏離平衡組織分析 偏析 偽共晶組織 偽共析組織 魏氏組織,圖9 偽共晶組織區(qū)域示意圖,圖10 偽共析組織區(qū)域示意圖,二.金屬材料基本知識（11）,3 FeC合金相和組織 相 組織 鐵素體（或F）（照片1） 奧氏體（或A） 珠光體（P）、屈氏體、索氏體 （照片2） 滲碳體（C或Fe3C） 石墨 （照片3） 貝氏體（B） B上 （照片4） B下（照片5） 馬氏體（M） 低碳馬

7、氏體（照片6和7） 高碳馬氏體 （照片8）,二.金屬材料基本知識（12）,照片1 鐵素體(純鐵退火)500,照片2 珠光體+鐵素體（40#退火）500,二.金屬材料基本知識（13）,照片3 鐵素體+石墨（可鍛鑄鐵退火）100,照片4上貝氏體（20CrMo等溫淬火）600,二.金屬材料基本知識（14）,照片5下貝氏體（35CrMnSi等溫淬火）600,照片6低碳馬氏體（15#鋼）400,二.金屬材料基本知識（15）,照片7 低碳馬氏體（透射電鏡照片）80000,照片8 高碳馬氏體 400,二.金屬材料基本知識（16）,4 金屬的缺陷 表面缺陷 夾層 發(fā)紋 白點 （照片9） 疏松 （照片10） 偏

8、析 （照片11） 夾雜物 （照片12） 脫碳 過熱 過燒 內(nèi)氧化,二.金屬材料基本知識（17）,照片9 白點(橫截面) 0.5,照片10 45#鋼坯中嚴重的一般疏松,二.金屬材料基本知識（18）,照片11 方框偏析 0.5,照片12 硫化物夾雜 320,二.金屬材料基本知識（19）,5 合金元素在鋼中的存在狀態(tài)和作用 5.1合金元素在鋼中的存在狀態(tài) 固溶體 間隙固溶體 置換固溶體 金屬間化合物 碳化物、氮化物和硼化物 Laves相 相 NiAl、Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Nb 形成氧化物、硫化物等 游離狀態(tài),二.金屬材料基本知識（20）,合金元素在鋼中的作用 C（碳） Cr（鉻） Mo（鉬

9、） V（釩） W（鎢） Ni（鎳） Mn（錳） Nb（鈮） Ti（鈦） Al（鋁）、Si（硅） B（硼） Cu（銅） Zr（鋯）,二.金屬材料基本知識（21）,6 鋼的強化機理 固溶強化 沉淀強化 晶界強化 凈化晶界 填充晶界空位 晶界沉淀強化 晶粒細化 馬氏體強化 形變強化 冶金強化 綜合強化,三.鋼的熱處理（1）,1熱處理基本知識 基本概念 相變 臨界點 奧氏體化 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(圖10) 過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(圖11),三.鋼的熱處理（2）,圖10過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線,圖11過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線,三.鋼的熱處理（

10、3）,1退火 定義 退火目的 降低鋼的強度、硬度、便于切削加工； 提高塑性，利于冷變形加工； 改善或消除毛坯在鑄、鍛、焊接時造成的成分或組織不均（如偏析、帶狀組織等），以提高其工藝性能和使用性能； 細化晶粒，改善高碳鋼中碳化物的分布和形態(tài)，消除內(nèi)應(yīng)力，為最終熱處理做好準(zhǔn)備，同時也有利于減小工件淬火時產(chǎn)生的變形和開裂傾向,三.鋼的熱處理（4）,退火工藝 完全退火 不完全退火 擴散退火 去應(yīng)力退火 再結(jié)晶與再結(jié)晶退火 防白點退火 脫氫處理。 中間退火 穩(wěn)定化退火,三.鋼的熱處理（5）,1.正火 定義 正火目的 2.淬火 定義 淬火目的 淬火工藝 單液淬火 等溫淬火 表面淬火,三.鋼的熱處理（6）,

11、5.回火 定義 回火目的 改善工件的塑性和韌性，同時還能保持一定的強度和硬度。 部分或全部消除工件淬火引起的宏觀內(nèi)應(yīng)力，使片狀馬氏體中的顯微裂紋部分愈合。 穩(wěn)定組織，對于精密部件來說即穩(wěn)定尺寸。 回火工藝 低溫回火 中溫回火 高溫回火（調(diào)質(zhì)處理）,三.鋼的熱處理（7）,6奧氏體不銹鋼熱處理 固溶處理（不銹鋼淬火） 穩(wěn)定化處理 除應(yīng)力處理,三.鋼的熱處理（8）,7.時效 自然時效 人工時效 8.表面熱處理 化學(xué)表面熱處理 滲碳 ：氣體滲碳；固體滲碳；鹽浴滲碳 滲氮 ：氣體滲氮；液體滲氮 滲鋁 噴丸,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（1）,1 應(yīng)力與應(yīng)變 應(yīng)力 標(biāo)稱應(yīng)力 正應(yīng)力 拉應(yīng)力 壓應(yīng)力 切應(yīng)力

12、扭應(yīng)力 應(yīng)變,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（2）,2.拉伸性能及試驗 2.1拉伸性能,圖12 低碳鋼的拉伸曲線,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（3）,屈服強度 RP0.2(s 、0.2） RP0.2P0.2F0 抗拉強度 Rm（b） RmPmaxF0 斷裂伸長率 A（LfL0）L0 A（4(國外用)、5、10 ），對同一種材料4510 斷面收縮率Z（） Z（F0Ff）F0,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（4）,拉伸試驗方法 GBT2282002金屬材料 室溫拉伸試驗方法 GB/T43381995金屬材料 高溫拉伸試驗方法 GB3652金屬管材高溫拉伸試驗方法 GB2652焊縫（及堆焊）金屬拉伸試樣方法

13、GB2651焊接接頭拉伸試驗法,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（5）,3.硬度及試驗 硬度定義 常用的幾種硬度值 布氏硬度值 洛氏硬度 表面洛氏硬度值 維氏硬度值 肖氏硬度值 里氏硬度值,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（6）,試驗方法 GBT231.12002 金屬布氏硬度試驗 第1部分:試驗方法 GBT231.22002 金屬布氏硬度試驗 第2部分:硬度計的檢驗與校準(zhǔn) GBT231.32002 金屬布氏硬度試驗 第3部分:標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定 GB/T 230.12002 金屬洛氏硬度試驗 第1部分:試驗方法 GB/T 230.22002 金屬洛氏硬度試驗 第2部分:硬度計的檢驗與校準(zhǔn) GB/T 230

14、.32002 金屬洛氏硬度試驗 第3部分:標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（7）,GB/T 18181994 金屬表面洛氏硬度試驗方法 GB/T 4340.11999 金屬維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法 GB/T 4340.21999 金屬維氏硬度試驗 第2部分: 硬度計的檢驗 GB/T 4340.31999 金屬維氏硬度試驗 第3部分: 標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)定 GB/T 43412001 金屬肖氏硬度試驗方法 GB/T173941998 金屬里氏硬度試驗方法,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（8）,4.沖擊試驗 沖擊吸收功(沖擊功) 沖擊韌性 沖擊功與沖擊韌性的關(guān)系 韌脆轉(zhuǎn)變溫度 斷口形貌

15、轉(zhuǎn)變溫度FATT50 試驗方法 無塑性轉(zhuǎn)變溫度（NDT）,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（9）,疲勞 高周疲勞（HCF） S-N（應(yīng)力壽命）曲線（圖14） 疲勞極限 P-S-N（存活率-應(yīng)力壽命）曲線（圖15）。 試驗標(biāo)準(zhǔn),四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（10）,圖14 S-N曲線,圖15 16Mn鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞缺口試樣,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（11）,低周疲勞（LCF） 循環(huán)硬化與軟化（圖16） -N（應(yīng)變壽命）曲線（圖17） 試驗標(biāo)準(zhǔn),四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（12）,圖16 BHW35鋼的應(yīng)力-循環(huán)周次關(guān)系,圖17 BHW35鋼及其電渣焊縫綜合疲勞壽命曲線,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（13

16、）,熱疲勞 高溫疲勞 熱機械疲勞 腐蝕疲勞,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（14）,6 材料的斷裂力學(xué)特性 材料的斷裂韌性 平面應(yīng)變斷裂韌性KC 應(yīng)力強度因子 斷裂韌性KC 平面應(yīng)變斷裂韌性KC KIC判據(jù) 試驗標(biāo)準(zhǔn),四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（15）,裂紋張開位移CTOD裂紋張開位移臨界值c 表觀啟裂韌度i 條件啟裂韌度0.05 脆性啟裂韌度c 脆性失穩(wěn)韌度u COD判據(jù) 試驗標(biāo)準(zhǔn),四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（16）,圖19 SA299鋼焊縫材料的a曲線,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（17）,J 積分 表觀啟裂韌度i 表觀啟裂韌度Ji 延性斷裂韌度JIC J積分判據(jù) 試驗標(biāo)準(zhǔn),四.鋼的力學(xué)性能和微

17、觀組織（18）,圖20 16Mn鋼的JR阻力曲線,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（19）,疲勞裂紋擴展速率dadN 定義 試驗方法,圖21 BHW35鋼在350下的dadNK曲線,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（20）,蠕變裂紋擴展速率dadt 定義 試驗方法,圖22 A470 (Cr-Mo-V) 鋼在538下的dadtCt曲線,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（21）,7 金屬材料的高溫長期性能 金屬材料的高溫蠕變強度 蠕變 蠕變斷裂 持久強度 試驗方法,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（22）,圖23 金屬材料典型的蠕變曲線,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（23）,金屬材料蠕變及持久試驗數(shù)據(jù)的處理 蠕變強度 ：T

18、/；Tv,圖24 12Cr1MoV鋼多爐次580下的蠕變曲線,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（24）,料蠕變及持久試驗數(shù)據(jù)的處理 持久強度 等溫線外推法 =k（tr）m,圖25 12Cr1MoV鋼多爐次580下的持久強度曲線,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（25）,1、原始狀態(tài) 2、運行29800h 3、運行50000h 圖26 10CrMo910鋼管不同運行時間后的持久強度曲線,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（26）,圖27 10CrMo910鋼550下的持久強度曲線,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（27）,等應(yīng)力外推法 T=k (tr ) m,圖28 10CrMo910鋼恒應(yīng)力下的（T-tr）關(guān)系曲線,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（28）,Larson-Miller（L-M） 參數(shù)法 P()=T(lgtr+C),圖29 10CrMo910鋼的L-M參數(shù)曲線,圖30 12Cr1MoV鋼的L-M參數(shù)曲線,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（29）,修正法 描述材料蠕變曲線的方程 i參數(shù)的求解(圖31) 建立了兩種材料的i與應(yīng)力、溫度的關(guān)系(圖32) 外推曲線（圖33） 法的特點,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（30）,圖31 12Cr1MoV鋼的蠕變曲線,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織（31）,圖32 12Cr1MoV鋼i -的關(guān)系曲線,四.鋼的力學(xué)性能和微觀組織